低温等离子体应用中的几个理论问题.docx

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低温等离子体应用中的几个理论问题

低温等离子体应用中的几个理论问题

摘要

低温等离子体在微电子、材料制备、环保、航空航天、军事等领域起着越

来越重要的作用，而很多的理论问题有待人们去解决。

本博士学位论文第一部

分第一章介绍了低温等离子体的分类及几种常规的工业应用;第二章简单介绍

--一----------------一、一-...一一一一--一---一~一--一__一

它在环保和通信方面的一些应用:

第三章对等离子体化学作了简单叙述:

第四

章叙诊子）压退等离子雌至里丝上丘血班三盔醛因叙琅水

。

第五章详细介绍了目前尘埃等离子体物理的研

山于尘粒在力n:

=n等离子体中的作用，研究它的形成与行为及其对等离子休

中的许多过程的影响己成为低温等离子体物理学中最重要的前沿分支。

因此木

论文在第二部分专题研究中专门研究了尘粒对离子输运的影响（第六章）和碰

撞尘埃等离子体中的低频波（第七章）o关于离子输运，我们用蒙特卡罗方法

模拟了平行板辉光放电等离子体中尘粒对鞘层离子输运的影响。

考虑了自洽电

场。

当离子在鞘层运动时，考虑离子与中性原子之间的电荷交换和弹性碰撞，

以及离子被尘粒的库仑散射和收集作用。

模拟得到了一些新的结果:

（1）当尘

粒的密度、尺寸、电量增加时，离子到达靶处的能量分布向低能区转移;

（2）

随尘粒含量（Yld/Yl;o）增加，靶处离子的密度呈指数衰减;（3）靶处离子的密

度随尘粒半径的增大呈指数衰减:

（4）当尘粒含量和尺寸同时增大时，靶处离

子的密度下降要比单纯增大一项快速得多。

所以，尽管在等离子体加工中，尘

粒的含量很低，可能只有千分之儿，但其影响却不容忽视。

对于碰撞尘埃等离

子体中的低频波，我们采用流体理论，按jitt标准的线性化处理方法，山连续性、

动量、能量和泊松方程得出低频波的色散关系。

发现碰撞磁化尘埃等离子体中

存在三支模:

完全阻尼热扩散模、受阻尼的静电尘埃声波（（EDA）和回旋波

（EDC），其中受阻尼的静电尘埃回旋波是本文首次发现的。

三支模的阻尼都是

由尘粒和中性气体碰撞引起的。

EDA的阻尼速度随中性气体压强的增大而增

大，这一点与实验相符，对于EDC也存在同样的关系。

尘粒密度对EDA波

和EDC波的影响明显不同于非磁化或者无碰撞尘埃等离子体中的情况。

当忽

略碰撞时，阻尼的EDA和EDC波回到纯振荡波。

最后就尘埃等离子体晶化

，砚

、

给l侣了一个可能的解释。

本论文的第三个专题研究是频率为雷达波频段的电磁波与部分电离、冷等

离子体的相互作用，它是目前军事上很关注的等离子体隐形技术的原理。

计算

了等离子体密度、碰撞频率、磁场对电磁波在等离子体中传播的RCS（Radar

CrossSection）衰减、被吸收功率的影响。

结果发现

（1）当等离子体密度增

大时，电磁波RCS衰减、被吸收功率的比例明显增加。

（2）当碰撞频率小于

所研究的雷达波频段时，在临近碰撞频率附近，电磁波RCS衰减、被吸收功

率的比例很大:

在电磁波频率比较大的区域，等离子体对电磁波的影响比较小。

（3）当碰撞频率比较大时，电磁波RCS衰减很强、被吸收功率的比例很大（达

10%以上），并且曲线变得平缓。

（4）磁场的作川在于大大加强频率在电子回

旋频率附近的电磁波的RCS衰减和吸收功率的比例。

通过计算，我们发现当

密度为10"cm-',碰撞频率为5GHz的等离子体对现役雷达工作频段的电磁波

的隐形效果最好。

本沦文的最后一个专题研究，以工业_L）IJ途很广的Cr12MoV合金钢为例，

研究氮离子注渗结合对金属表面改性的影响。

通过实验和理论计算发现:

（1）

氮离子注渗结合方式比单纯的离子注入的深度大大加深。

（2）注入后Cr12MoV

的表面硬度提高较大。

（3）注入后Cr12MoV的耐磨性能提高较大。

（4）注

入的氮离子在样品里有比较好的浓度分布和损伤分布。

杯

Abstract

Low-temperatureplasmaisveryimportantinmicroelectronics,fabricating

materials,protectingenvironment,aviationandmilitary.Howevermanytheoretical

problemshavenotbeensolved.Theclassificationandseveralusualindustrial

applicationsoflow-temperatureplasma.arepresentedinchapteroneofthefirstpart

ofthisPh.D.dissertation.Inchaptertwo,theapplicationsoflow-teruperaturein

protectingenvironmentandcommunicationarebrieflynarrated.Plasmachemistryis

outlinedinchapterthree.Chapterfourisdevotedtoplasmacloaking.Theresearch

statusofdustyplasmaphysicsisreviewedinchapterfive.

Dustisquitesignificantinplasmaprocessing,sotwospecificsubjects,the

effectsofdustoniontransport（inchaptersix）andlow-frequencyelectrostatic

wavesinacollisionaldustyplasma（inchapterseven）,aredescribedindetailinpart

twoofthePh.D.dissertation.Asforiontransport,MonteCarlomethodhasbeen

usedtosimulatetheiontransportinaparallelplaterfglowdischargeswithdusts.A

self-consistentelectricfieldistakenintoaccount.Thechargeexchangeandelastic

collisionbetweenionandneutralatomsandthecollectionandCoulombscattering

ofionondustgrainsareconsidered.Fournewresultsareobtainedinthissimulation:

（1）Whenthedustdensity,size,and/orchargeincrease,theenergydistributionofion

arrivingatthetargettransferstolowenergyregion.

（2）Asdustconcentration

771//;:

，。

rises,theiondensityatthetargetdropsexponently.（3）Asdustsizegoesup,

theiondensityatthetargetalsogodownexponently.（4）Asdustdensity,aswellas

size,increases,theiondensityatthetargetdecreasesmorequicklythanincreasing

eitherofthem.Therefore,thoughthedustconcentrationisverylow（afew

thousandth）,itseffectsonlotsofplasmaprocessescannotbeneglected.Forthelow-

仁卜·

frequency

momentum

waves,adispersionrelationisderivedfromthesetofcontinuity,

andenergyequation,togetherwithPoissonequation.Itisfoundthat

thereexistthreemodesinamagnetized,homogeneous,andcollisionaldustyplasma:

thewhollydampedmodeduetothethermaldiffusion,dampedelectrostaticdust

acousticwave（EDA）,anddampedelectrostaticdustcyclotronwave（EDC）

discoveredbythedissertationforthefirsttime;Asneutralgaspressureincreases,

thedampingratesoftheEDAandEDCwavesincrease;Theeffectsofdustdensity

ontheEDAandEDCwavesareremarkablydifferentfromunmagnetizedor

collisionlessplasma;Apossibleexplanationtoplasmacrystallizationissuggested

onthebasisofthepresentresults.

Thethirdspecificsubjectofthedissertationisabouttheinteractionbetween

electromagneticwaveandpartlyionizedplasma.Itistheprincipleofplasma

cloaking.Thewavefrequenciesforcalculationaretakeninthepresentradarwave

region,Theeffectsofplasmadensity,collisionfrequencyandmagneticfield

strengthonradarcrosssection（RCS）andtheabsorbedpowerarecomputed.The

resultsshow:

（1）Asplasmadensityrises,thefractionofRCSattenuationand

absorbedpowerincreasesignificantly.

（2）Whenthecollisionfrequencyislessthan

theradarfrequency,theattenuationofRCSandtheabsorbedpowerofthewaveare

largerwithwavefrequencynearthecollisionfrequency.（3）TheRCSisattenuated

quicklyandtheproportionofabsorbedpowerislargewithlargecollisionfrequency,

andat.thesanetime,thecurveis一smooth,（4}.The,ii1fluence-ofmagnetic一flew

strengthontheradarwaveistoenlargeRCSattenuationandabsorbedpowerwith

thewave

frequencyneartheelectroncyclotronfrequency.

cloakingisbestwiththeplasmadensity10"cm-3

Itisfoundthattheeffect

护声·

ofplasma

GHz.

andcollisionfrequency5

ThelastspecificsubjectinthedissertationisaboutCr12MoValloysurface

modificationbynitrogenionimplantationtogetherwithpermeation.Fournew

resultsareattainedbyexperimentandcomputation:

（1）Theimplanteddepthis

deeperbynitrogenionimplantationtogetherwithpermeationthanbyonlynitrogen

ionimplantation.

（2）HardnessofCr12MoVaftermodificationisenhancedlargely.

（3）Wear-resistingpropertyisimprovedremarkablybythemethod.（4）The

distributionsofnitrogeniondensityandradiationdamagearewell.

第一部分综述

第一章低温等离子体物理及其若干常规应用概况

1.1低温等离子体及低温等离子体物理III

低温等离子体是指在实验室和工业设备中通过气体放电或高温燃烧而产生

的温度低于几十万度的部分电离气体。

它一般是弱电离、多成份的，并和其它

物质有强烈的相互作用。

按物理性质，低温等离子体又分为三类:

①热等离子

体（或近局域热力学平衡等离子体）;②冷等离子体（非平衡等离子体）:

③

燃烧等离子体。

热等离子与冷等离子体因为其在工业上的广泛应用又合称为工

业等离子体。

1.1.1热等离子体

热等离子体主要山直流电弧放电与高频感应祸合放电方法产生。

其特点是

放电的电场强度低（一1Ovlcm），且与气体压强的比值也低，因而热电离是主

要的电离机制，粒子碰撞过程起支配作用，电子温度接近于重粒子（原子、离

子）温度。

热等离子体己广泛应用于机械加工、冶金、化工、材料、电光源等

领域。

1.1.2冷等离子体

冷等离子f本或非平衡等离子体主要采川辉光放电、微波放电、电晕放电等

方法产生，放电的电场强度与气压比值较高，通常辉光放电与微波放电中气体

压强远低于大气压，因而气体粒子密度较低，粒子间碰撞弱，电子在外电场加

速作用一「获取的能量不能及时传递给重粒子（原子、离子、自山葵、分子等）。

结果，低气压等离子休中电子温度远高于重粒子温度。

电子温度可高达儿一I一万

度，而重离子温度则接近或略高于室温。

电晕放电中虽然气体压强较高但放电

电场强度也高，电子温度仍远高于重粒子温度。

冷等离子体己广泛用于微电子

学加工、光磁记录介质加工、光电池、光电源、臭氧生产、离子源等方面。

1.1.3燃烧等离子体

通常火焰电离度很低，但火焰的电现象对于燃烧机理的研究以及火焰中碳

粒等污染物产生机理与控制方法的研究有重要意义。

通过添加钾等易电离物质

提高气体电导率后形成的燃烧等离子体主要用于磁流体发电装置。

1.1.4低温等离子体物理

低温等离子体物理学研究部分电离气体的产生、性质与运动规律。

由于低

温等离子体中除了有相当数量的电子、离子（101-1011/cm'），大量的中性粒

子（原子、分子和自由基）外，一些等离子体中还存在大质量、大电荷的负粒

子，称之为尘粒，因此粒子间的相互作用以及各种多体碰撞比完全电离的高温

等离子体更为复杂:

加之低温等离子体的电离度、电子密度及温度，气体成分

和压强等可在非常广阔的范围内变化，因此很难有适用于各种低温等离子体的

统一而有效的理论处理方法，必须对具体问题分别地加以研究。

1.2低温等离子体的应用n.2]

低温等离子体的应用涉及面非常广，要全面介绍非常困难。

我们依据低温

等离子体的主要性质，把它的常规应用分为以下几类，并介绍一些重要例子，

以说明目前常规应用所达到的水平和所遇到的问题。

1.2.1等离子体电光源

它主要利用气体放电时发出的各种可见或不可见光辐射，再去激发其它材

料发光。

这些应用包括低压气体放电灯、高压气体放电幻一、气体放电激光、等

离子体显示器等。

高低气压照明灯如荧光灯、氛灯、高压汞灯、高压钠灯、氛

灯及金属卤化物弧灯等都得到了广泛的应用。

气体放电激光器主要有原子气体

激光器、分子气体激光器和离子气体激光器，它们在计测、医学、工业上都得

到了广泛的运用。

近年来发展起来的大功率气体激光器在加工工业中得到了重

要的应用。

等离子体显示器则是采用辉光放电，控制开关过程并选择亮度，利

用放电产生的紫外线去激发各种荧光粉以获得所需颜色的光。

在大屏幕的平面

显示方面它是液品显示器的有力竞争者，!

J前美、日、意的一些新技术公司正

在开发一种全彩色的交流等离子体显示器（ACplasmadisplays）[']，而且首台

使用这种显示器可挂在墙壁上的高清晰度彩色电视机（21英寸）己于1995年

在日木面世，我国也于1997年生产出使用这种显示器的高清晰度彩色电视机（4]0

1.2.2等离子体化工及热加工[5-10]

它们主要利用热等离子体的高温、高焙、高能量密度的特点。

这些应用包

括钦白生产、乙炔生产、超细超纯材料粉的制备、合成材料的制备、热等离子

体喷涂、废物处理与有用物质的回收、等离子体冶金、等离子体球化、等离子

体烧结等。

电弧及高频热等离子体发生器已商品化。

我国研制的以大功率、高

频等离子体发生器作为氧气加热的热源进行钦白生产，目前已进入年产3000吨

的试生产阶段。

用等离子体球化方法生产的铁粉己用于复印机中。

热等离子体

喷涂山于集被喷涂的原料颗粒的加热、加速、熔化、撞击基板并迅速铺展、冷

却与固化等过程于一体，在很短的时间内完成上述一系列过程，因而熔融颗粒

在基板_!

二冷却速率极高，材料品粒来不及一长大，从而可产生品粒细，甚至非品

玻璃体的高性能涂层。

目前陶瓷/陶瓷或金属/陶瓷等耐磨、耐腐蚀或耐高温

的等离子体喷涂技术已成为常规的机加工工艺而得到广泛应用。

然而目前热等

离子体的最重要和最具前景的应用则是在新型特殊功能材料的制备和废物处理

方面121。

例如等离子体处理造纸黑液有可能最终解决长期困扰造纸业发展的黑

液污染环境问题141。

对其它有机、有毒废物的处理也有良好的应用前景。

近几

年来，金刚石膜、富勒烯（C6。

足球烯）及超导体粉己用热等离子体制备成功，

并开展了像0-C3N;这种可能比金刚石还硬的合成材料的制备。

Boulos等人在

最近的文献中报道，他们已用热等离子体合成了生物陶瓷材料，如经基磷灰石

15-71

1.2.3等离子体加工

等离子体加工主要利用冷等离子体中电子、离子、自由基的能量或活性诱

发化学反应或物理过程，其应用包括超大规模集成电路蚀刻、材料合成及薄膜

沉积和材料表面改性等方面。

从近几年来国际学术期刊与低温等离子体国际会

议文集中所发表的论文以及各国专利申请的数量看，这方面的应用己成了低温

等离子体最重要的应用领域。

有关专家估计till，它仅在半导体工艺方面的潜在

市场就约为260亿美元，在电子学方面的潜在市场约为400亿美元。

1）蚀刻

集成电路的生产由沉积、掩模、蚀刻和剥模这些重复步骤组成，以形成和连接

象晶体管和电容器那样的电路元件。

而蚀刻是微电子加工的关键工艺。

过去采

用化学法蚀刻（湿法蚀刻），方向性差。

随着集成电路集成度的提高，如一个

Pentium芯片上集成大约500万个元件，单个元件尺寸要求小于0.511m,（正在

向0.2511m发展），化学蚀刻己无法满足这种亚微米线宽的工艺要求（即使是光

刻工艺也难达到此要求）四，目前己逐步被等离子体蚀刻（干法蚀刻）取代。

等离

子体蚀刻有两个最大的优点:

①等离子体对蚀刻剂粒种有较强的催化作用，因

而它的蚀刻效率高，②它通过鞘层来加速离子，使离子垂直地撞击在掩模基体

上，因此它能在一直线上进行方向性极强的蚀刻，从而保证高集成度要求的高

分辨率。

图1.1是Coburn和Winters的典型实验结果[121，它证明了在氢等离子

体中氟的蚀刻率比只有该气体或只有等离子体时的蚀刻率大1个数量级。

图1.2

显示了化学蚀刻与等离子体蚀刻的差别。

图1.3是反应离子蚀刻器（RIE）的示

意图。

基体被夹在下面电极上，RF电源功率通常加于上电极，而较小的RF偏

压加于基体上，RF放电在两个平行板电极fill产生等离子体。

两个电源产生的合

成直流偏压可能为儿百伏，因而在约1cm厚度内产生Child-Langmuir鞘。

在

13.56MHz的频率下，离子通过这个鞘平稳地下落，它们在该RF频率作用下只

受到小的速度调制。

这类等离子体源因其简单而用于绝大多数半导体生产线。

等离子体蚀刻已用于硅、铝、绝缘材料、有机材料、GaAs等的蚀刻加工，成为

微电子工业中不可替代的加工手段。

图1.1

只有Xe2F2气体

等离子体化学蚀刻的催化效应的证据

11Ar+离子束+Xe2F2气体III只有Ar+离子束

图1.2化学蚀刻与等离子体蚀刻的差异

（a）各向同性蚀刻，没有离子;tb）定向蚀刻，有离子，没有钝化;

Cc）竖直蚀刻，有钝化。

i—主RF1:

一气休人aPa-.一撰电电饭.‘一

梦,s一失么‘一技泛电如甲—气怀函pia--

.压欲夕.，一He冲匆荆。

图1.3反应离子蚀刻器的示意图

c"Yt

在有子塞位入《。

》中·必须牲幼物休来.睡共位人的

赛面，在PSIIIb）中·等离子侈，盆物体·并且水子由梦电势峥加

速到折有农该上

一i谕元手砚it-!

I出离子宜.，一众二‘一悦创的离子宋.。

一祀.t=RiE}I二，.”二一灰空，.一勺14}9Ri}ti"--ffX

子以.宜人肘妞击呀育.旦.it一宫电压眯冲炭生拼.

[N1.4离子束拉入一，iPS11（1'j比较

尽管如此，等离子体蚀刻中仍然存在着许多迫切需要解决的问题，它包括

反应离子蚀刻时一滞fil微负载ysl器件损坏以及尘粒（dustgrains）产生等，其‘}，以

尘粒的影响最为重要。

从八十年代末开始，人们已观察到从蚀刻和沉积所用的气

体中形成大小多1Pill的尘粒（1a-16），这些尘粒相对于恳浮朗缪尔探针的电位是带

负电荷的，并被悬浮在局部电位最大处的等离子体中，势井往往正好在晶片上

的鞘层